功率半導(dǎo)體器件是電力電子的關(guān)鍵元件，是實(shí)現(xiàn)碳中和、能源發(fā)展等戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。功率半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、高鐵、電網(wǎng)等，其市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過400億美元。過去幾年，基于碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體的功率器件在快充、電動(dòng)汽車等應(yīng)用中取得了巨大成功。基于氧化鎵、氮化鋁、金剛石為代表的第四代半導(dǎo)體的功率器件也在快速發(fā)展中。

11月17日，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子研究中心（CPES）Yuhao Zhang教授、英國(guó)劍橋大學(xué)Florin Udrea教授和美國(guó)南加州大學(xué)Han Wang教授共同在Nature Electronics發(fā)表題為“Multidimensional device architectures for efficient power electronics（面向電力電子的多維器件結(jié)構(gòu)）”的綜述文章。不同于半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)視角，這篇文章創(chuàng)新性的提出多維結(jié)構(gòu)（包括超結(jié)、多溝道、FinFET、trigate等）正在成為推進(jìn)功率器件發(fā)展的一個(gè)重要?jiǎng)恿Α＿@些多維結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于硅、第三代、第四代半導(dǎo)體，從而推進(jìn)基于每種材料的功率器件和電力電子系統(tǒng)的性能提升。

這篇綜述文章系統(tǒng)的闡述了傳統(tǒng)1-D器件的局限，梳理了近期基于多維結(jié)構(gòu)的硅、碳化硅、氮化鎵功率器件性能，指出這些結(jié)構(gòu)的使用讓器件性能超過了材料本身的理論極限。隨后，文章展開討論了超結(jié)、多溝道、FinFET/trigate等多維結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及相關(guān)器件物理。之后，文章創(chuàng)新性地討論了多維結(jié)構(gòu)的性能極限、品質(zhì)因數(shù)(figure of merit)以及scaling law，并指出多維結(jié)構(gòu)使得功率器件可以像CMOS一樣通過scaling獲得性能的不斷提升。最后，文章簡(jiǎn)單回顧了相關(guān)的多維結(jié)構(gòu)在射頻器件中的應(yīng)用。

這篇文章為功率器件的發(fā)展路線圖提供了一個(gè)全新的視角，有望推動(dòng)基于硅、第三代、第四代半導(dǎo)體的功率器件的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1 . 多維結(jié)構(gòu)可以打破傳統(tǒng)1D器件的power capacity和開關(guān)頻率的trade-off.

表1. 基于多維結(jié)構(gòu)和1D結(jié)構(gòu)功率器件的性能極限, scaling 參數(shù)以及材料品質(zhì)因數(shù)(figure-of-merit).

Yuhao Zhang現(xiàn)在是美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子研究中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)助理教授，并領(lǐng)導(dǎo)該中心的器件和功率半導(dǎo)體研究。該中心由Fred Lee創(chuàng)立，現(xiàn)得到超過80家公司的資助，擁有電力電子領(lǐng)域基于高校的最大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟之一。Yuhao Zhang于2013年和2017年在麻省理工學(xué)院分別獲得碩士及博士學(xué)位，并于2011年在北京大學(xué)物理系獲得本科學(xué)位。Yuhao Zhang獲得2017年麻省理工學(xué)院Microsystems Technology Laboratories最佳博士論文獎(jiǎng)、2019年IEEE George Smith Award (IEEE EDL年度最佳論文獎(jiǎng))、2020年和2021年IEDM Conference Highlight榮譽(yù)、2021年美國(guó)National Science Foundation CAREER獎(jiǎng)、2021年弗吉尼亞理工優(yōu)秀助理教授獎(jiǎng)、2022年弗吉尼亞理工Faculty Fellow獎(jiǎng)。其博士生獲得2021 APEC最佳報(bào)告獎(jiǎng)、2021 IEEE Power Electronics Society最佳博士論文報(bào)告獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

Florin Udrea是英國(guó)劍橋大學(xué)電子工程學(xué)院教授并領(lǐng)導(dǎo)高壓電子和傳感器實(shí)驗(yàn)室。Florin Udrea從1995年開始在劍橋大學(xué)任教，其領(lǐng)導(dǎo)的功率半導(dǎo)體研究在過去的25年享有國(guó)際盛譽(yù)。Florin Udrea發(fā)表了超過550篇文章并擁有超過150個(gè)專利，并成立了五家公司。Florin Udrea于2015年被評(píng)選為英國(guó)皇家工程院院士，獲得英國(guó)皇家工程院銀質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?018年英國(guó)皇家Mullard獎(jiǎng)?wù)碌泉?jiǎng)項(xiàng)，并于2021年被Business weekly評(píng)委年度學(xué)術(shù)創(chuàng)業(yè)家。

Han Wang現(xiàn)在是美國(guó)南加州大學(xué)電子工程系副教授以及Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair，并領(lǐng)導(dǎo)臺(tái)積電公司研究部門的低維材料研究。Han Wang于2013年在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，并于2006和2007年在英國(guó)劍橋大學(xué)獲得本科和碩士學(xué)位。Han Wang獲得2020年IEEE Nanotechnology Council優(yōu)秀教師獎(jiǎng)，2019年IEEE Nanotechnology Council Early Career獎(jiǎng)，2018年Army Research Office Young Investigator獎(jiǎng)，2018年南加大優(yōu)秀年輕教授研究獎(jiǎng)，2017年美國(guó)National Science Foundation CAREER獎(jiǎng)，2013年MIT Jin-Au Kong最佳博士論文獎(jiǎng)，2012年IEDM最佳論文獎(jiǎng)和2010年CS MANTECH最佳學(xué)生論文。